Johnson graphs, their random subgraphs, and some of their extremal characteristics
- Authors: Raigorodskii A.M.1,2,3,4, Sinelnikov-Murylev P.S.5
-
Affiliations:
- Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)
- Lomonosov Moscow State University, Faculty of Mechanics and Mathematics
- Caucasus Mathematical Center, Adyghe State University
- Buryat State University, Institute for Mathematics and Informatics
- Issue: Vol 80, No 3 (2025)
- Pages: 113-176
- Section: Articles
- URL: https://bakhtiniada.ru/0042-1316/article/view/306757
- DOI: https://doi.org/10.4213/rm10233
- ID: 306757
Cite item
Abstract
One of the most important objects of study in modern graph theory is the so-called Johnson graph $G(n,r,s)$. The vertices of this graph are all $C_n^r$ subsets of cardinality $r$ of the set $\{1,…,n\}$, and two vertices are joined by an edge if and only if the intersection of the corresponding subsets has cardinality $s$. Such graphs play a vital role in coding theory, extremal combinatorics and Ramsey theory, combinatorial geometry, and in other areas. In this survey we give an account of applications of these graphs and of some of their parameters including the independence number, the clique number, and the chromatic number. We also pay attention to a large part of this theory concerned with the investigation of random subgraphs of Johnson graphs, which was actively developed in recent years.
About the authors
Andrei Mikhailovich Raigorodskii
Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University); Lomonosov Moscow State University, Faculty of Mechanics and Mathematics; Caucasus Mathematical Center, Adyghe State University; Buryat State University, Institute for Mathematics and Informatics
Email: mraigor@yandex.ru
Doctor of physico-mathematical sciences, Professor
Petr Sergeevich Sinelnikov-Murylev
Author for correspondence.
Email: petya670@gmail.com
without scientific degree, no status
References
- Ф. Дж. Мак-Вильямс, Н. Дж. А. Слоэн, Теория кодов, исправляющих ошибки, Части I, II, Связь, М., 1979, 744 с.
- M. Kneser, “Aufgabe 360”, Jahresber. Dtsch. Math.-Ver., 58:2 (1956), 27
- А. М. Райгородский, Гипотеза Кнезера и топологические методы в комбинаторике, МЦНМО, М., 2011, 32 с.
- J. Matoušek, Using the {B}orsuk–{U}lam theorem, Lectures on topological methods in combinatorics and geometry, Universitext, Springer-Verlag, Berlin, 2003, xii+196 pp.
- М. Холл, Комбинаторика, Мир, М., 1970, 424 с.
- P. Erdős, G. Szekeres, “A combinatorial problem in geometry”, Compos. Math., 2 (1935), 463–470
- S. P. Radziszowski, “Small Ramsey numbers”, Electron. J. Combin., 1 (1994), Dynamic Survey 1, 30 pp.
- R. L. Graham, B. L. Rothschild, J. H. Spencer, Ramsey theory, Wiley-Intersci. Ser. Discrete Math. Optim., 2nd ed., John Wiley & Sons, Inc., New York, 1990, xii+196 pp.
- M. Campos, S. Griffiths, R. Morris, J. Sahasrabudhe, An exponential improvement for diagonal Ramsey, 2023, 57 pp.
- P. Gupta, N. Ndiaye, S. Norin, L. Wei, Optimizing the CGMS upper bound on Ramsey numbers, 2024, 18 pp.
- P. Balister, B. Bollobas, M. Campos, S. Griffiths, E. Hurley, R. Morris, J. Sahasrabudhe, M. Tiba, Upper bounds for multicolour Ramsey numbers, 2024, 17 pp.
- Н. Алон, Дж. Спенсер, Вероятностный метод, Бином. Лаборатория знаний, М., 2007, 320 с.
- А. М. Райгородский, Линейно-алгебраический метод в комбинаторике, 2-е изд., МЦНМО, М., 2007, 136 с.
- А. М. Райгородский, “Проблема Борсука и хроматические числа некоторых метрических пространств”, УМН, 56:1(337) (2001), 107–146
- A. M. Raigorodskii, “Coloring distance graphs and graphs of diameters”, Thirty essays on geometric graph theory, Springer, New York, 2013, 429–460
- A. M. Raigorodskii, “Cliques and cycles in distance graphs and graphs of diameters”, Discrete geometry and algebraic combinatorics, Contemp. Math., 625, Amer. Math. Soc., Providence, RI, 2014, 93–109
- П. Брасс, У. Мозер, Я. Пах, Открытые проблемы дискретной геометрии, МЦНМО, М., 2021, 448 с.
- A. Soifer, The mathematical coloring book. Mathematics of coloring and the colorful life of its creators, Springer, New York, 2009, xxx+607 pp.
- V. Boltyanski, H. Martini, P. S. Soltan, Excursions into combinatorial geometry, Universitext, Springer-Verlag, Berlin, 1997, xiv+418 pp.
- D. G. Larman, C. A. Rogers, “The realization of distances within sets in Euclidean space”, Mathematika, 19 (1972), 1–24
- R. Prosanov, “A new proof of the Larman–Rogers upper bound for the chromatic number of the Euclidean space”, Discrete Appl. Math., 276 (2020), 115–120
- N. G. de Bruijn, P. Erdős, “A colour problem for infinite graphs and a problem in the theory of relations”, Nederl. Akad. Wetensch. Proc. Ser. A, 54, = Indagationes Math., 13 (1951), 371–373
- P. Shuldiner, R. W. Oldford, The clique structure of Johnson graphs, 2022, 14 pp.
- А. С. Гусев, “Кликовые числа случайных подграфов некоторых дистанционных графов”, Пробл. передачи информ., 54:2 (2018), 73–85
- S. F. Jorgensen, On the clique covering numbers of Johnson graphs, 2025, 13 pp.
- Ф. Харари, Теория графов, 2-е изд., Едиториал УРСС, М., 2003, 300 с.
- C. J. Colbourn, J. H. Dinitz (eds.), Handbook of combinatorial designs, Discrete Math. Appl. (Boca Raton), 2nd ed., Chapman & Hall/CRC, Boca Raton, FL, 2007, xxii+984 pp.
- P. Keevash, The existence of designs, 2024 (v1 – 2014), 55 pp.
- P. Keevash, The existence of designs II, 2018, 64 pp.
- V. Rödl, “On a packing and covering problem”, European J. Combin., 6:1 (1985), 69–78
- P. Frankl, Z. Füredi, “Forbidding just one intersection”, J. Combin. Theory Ser. A, 39:2 (1985), 160–176
- P. Frankl, R. Wilson, “Intersection theorems with geometric consequences”, Combinatorica, 1:4 (1981), 357–368
- Z. Nagy, “A certain constructive estimate of the Ramsey number”, (Hungarian), Mat. Lapok, 23 (1972), 301–302
- P. Erdős, Chao Ko, R. Rado, “Intersection theorems for systems of finite sets”, Quart. J. Math. Oxford Ser. (2), 12 (1961), 313–320
- P. Keevash, D. Mubayi, R. M. Wilson, “Set systems with no singleton intersection”, SIAM J. Discrete Math., 20:4 (2006), 1031–1041
- Л. И. Боголюбский, А. М. Райгородский, “Замечание о нижних оценках хроматических чисел пространств малой размерности с метриками $ell_1$ и $ell_2$”, Матем. заметки, 105:2 (2019), 187–213
- A. Passuello, Semidefinite programming in combinatorial optimization with applications to coding theory and geometry, Ph.D. thesis, Univ. Bordeaux I, 2013, xvi+98 pp.
- R. Ahlswede, L. H. Khachatrian, “The complete intersection theorem for systems of finite sets”, European J. Combin., 18:2 (1997), 125–136
- P. Frankl, “The Erdős–Ko–Rado theorem is true for $n=ckt$”, Combinatorics (Keszthely, 1976), v. 1, Colloq. Math. Soc. Janos Bolyai, 18, North-Holland Publishing Co., Amsterdam–New York, 1978, 365–375
- R. M. Wilson, “The exact bound in the Erdős–Ko–Rado theorem”, Combinatorica, 4:2-3 (1984), 247–257
- N. N. Kuzjurin, “On the difference between asymptotically good packings and coverings”, European J. Combin., 16:1 (1995), 35–40
- R. C. Baker, G. Harman, J. Pintz, “The difference between consecutive primes. II”, Proc. London Math. Soc. (3), 83:3 (2001), 532–562
- D. Ellis, N. Keller, N. Lifshitz, “Stability for the complete intersection theorem, and the forbidden intersection problem of Erdős and Sos”, J. Eur. Math. Soc. (JEMS), 26:5 (2024), 1611–1654
- N. Keller, N. Lifshitz, “The junta method for hypergraphs and the Erdős–Chvatal simplex conjecture”, Adv. Math., 392 (2021), 107991, 95 pp.
- A. Kupavskii, D. Zakharov, “Spread approximations for forbidden intersections problems”, Adv. Math., 445 (2024), 109653, 29 pp.
- D. Cherkashin, “On set systems without singleton intersections”, Discrete Math. Lett., 14 (2024), 85–88
- Е. И. Пономаренко, А. М. Райгородский, “Новые оценки в задаче о числе ребер гиперграфа с запретами на пересечения”, Пробл. передачи информ., 49:4 (2013), 98–104
- A. Kupavskii, A. Sagdeev, D. Zakharov, Cutting corners, 2022, 16 pp.
- А. М. Райгородский, А. А. Сагдеев, “Об одной оценке в экстремальной комбинаторике”, Докл. РАН, 478:3 (2018), 271–273
- А. В. Бобу, А. Э. Куприянов, А. М. Райгородский, “Асимптотическое исследование задачи о максимальном числе ребер однородного гиперграфа с одним запрещенным пересечением”, Матем. сб., 207:5 (2016), 17–42
- P. Frankl, V. Rödl, “Forbidden intersections”, Trans. Amer. Math. Soc., 300:1 (1987), 259–286
- А. Е. Звонарeв, А. М. Райгородский, Д. В. Самиров, А. А. Харламова, “О хроматическом числе пространства с запрещенным равносторонним треугольником”, Матем. сб., 205:9 (2014), 97–120
- А. Е. Звонарев, А. М. Райгородский, “Улучшения теоремы Франкла–Рeдля о числе ребер гиперграфа с запрещенным пересечением и их следствия в задаче о хроматическом числе пространства с запрещенным равносторонним треугольником”, Геометрия, топология и приложения, Сборник статей. К 70-летию со дня рождения профессора Николая Петровича Долбилина, Труды МИАН, 288, МАИК “Наука/Интерпериодика”, М., 2015, 109–119
- А. А. Сагдеев, “Улучшенная теорема Франкла–Рeдля и некоторые ее геометрические следствия”, Пробл. передачи информ., 54:2 (2018), 45–72
- А. А. Сагдеев, “О теореме Франкла–Рэдла”, Изв. РАН. Сер. матем., 82:6 (2018), 128–157
- А. А. Сагдеев, “Об одной теореме Франкла–Уилсона”, Пробл. передачи информ., 55:4 (2019), 86–106
- P. Keevash, E. Long, “Frankl–Rödl-type theorems for codes and permutations”, Trans. Amer. Math. Soc., 369:2 (2017), 1147–1162
- T. Etzion, S. Bitan, “On the chromatic number, colorings, and codes of the Johnson graph”, Discrete Appl. Math., 70:2 (1996), 163–175
- A. E. Brouwer, T. Etzion, “Some new distance-4 constant weight codes”, Adv. Math. Commun., 5:3 (2011), 417–424
- Д. В. Карпов, Теория графов, МЦНМО, М., 2022, 560 с.
- А. М. Райгородский, “Еще немного о математике раскрасок”, Матем. просв., сер. 3, 31, МЦНМО, М., 2023, 55–73
- А. М. Райгородский, “Проблемы Борсука и Грюнбаума для решетчатых многогранников”, Изв. РАН. Сер. матем., 69:3 (2005), 81–108
- А. М. Райгородский, Системы общих представителей в комбинаторике и их приложения в геометрии, МЦНМО, М., 2023, 136 с.
- Д. Цветкович, М. Дуб, Х. Захс, Спектры графов. Теория и применение, Наук. думка, Киев, 1984, 384 с.
- А. Э. Гутерман, В. К. Любимов, А. М. Райгородский, А. С. Усачев, “О числах независимости дистанционных графов с вершинами в ${-1,0,1}^n$: оценки, гипотезы и приложения к проблемам Нельсона–Эрдеша–Хадвигера и Борсука”, Совр. матем. и ее приложения, 65 (2009), 82–100
- А. В. Бобу, О. А. Костина, А. Э. Куприянов, “Числа независимости и хроматические числа некоторых дистанционных графов”, Пробл. передачи информ., 51:2 (2015), 86–98
- J. Balogh, D. Cherkashin, S. Kiselev, “Coloring general Kneser graphs and hypergraphs via high-discrepancy hypergraphs”, European J. Combin., 79 (2019), 228–236
- G. M. Ziegler, “Coloring Hamming graphs, optimal binary codes, and the 0/1-Borsuk problem in low dimensions”, Computational discrete mathematics, Lecture Notes in Comput. Sci., 2122, LNCS Tutor., Springer-Verlag, Berlin, 2001, 159–171
- А. Б. Купавский, А. М. Райгородский, “О хроматическом числе $mathbb R^9$”, Фундамент. и прикл. матем., 14:5 (2008), 139–154
- A. Sidorenko, “What we know and what we do not know about Turan numbers”, Graphs Combin., 11:2 (1995), 179–199
- O. Pikhurko, “Constructions of Turan systems that are tight up to a multiplicative constant”, Adv. Math., 464 (2025), 110148, 11 pp.
- J. Balogh, A. Kostochka, A. Raigorodskii, “Coloring some finite sets in ${mathbb R}^n$”, Discuss. Math. Graph Theory, 33:1 (2013), 25–31
- LXXV Московская математическая олимпиада. Задачи и решения, МЦНМО, М., 2012, 71 с.
- D. Zakharov, “Chromatic numbers of Kneser-type graphs”, J. Combin. Theory Ser. A, 172 (2020), 105188, 16 pp.
- Д. А. Захаров, “О хроматических числах некоторых дистанционных графов”, Матем. заметки, 107:2 (2020), 210–220
- B. Bollobas, Random graphs, Cambridge Stud. Adv. Math., 73, 2nd ed., Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2001, xviii+498 pp.
- S. Janson, T. Łuczak, A. Rucinski, Random graphs, Wiley-Intersci. Ser. Discrete Math. Optim., Wiley-Interscience [John Wiley & Sons], New York, 2000, xii+333 pp.
- A. Frieze, M. Karonski, Introduction to random graphs, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2016, xvii+464 pp.
- В. Ф. Колчин, Случайные графы, Физматлит, М., 2000, 256 с.
- R. Durrett, Random graph dynamics, Camb. Ser. Stat. Probab. Math., Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2007, x+212 pp.
- R. van der Hofstad, Random graphs and complex networks, v. 1, Camb. Ser. Stat. Probab. Math., 43, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2017, xvi+321 pp.
- А. М. Райгородский, Модели интернета, 2-е изд., Интеллект, Долгопрудный, 2019, 64 с.
- А. М. Райгородский, Модели случайных графов, 3-е изд., МЦНМО, М., 2025, 135 с.
- P. Erdős, A. Renyi, “On random graphs. I”, Publ. Math. Debrecen, 6 (1959), 290–297
- P. Erdős, A. Renyi, “On the evolution of random graphs”, Magyar Tud. Akad. Mat. Kutato Int. Közl., 5 (1960), 17–61
- P. Erdős, A. Renyi, “On the evolution of random graphs”, Bull. Inst. Internat. Statist., 38:4 (1961), 343–347
- M. Krivelevich, B. Sudakov, “Pseudo-random graphs”, More sets, graphs and numbers, Bolyai Soc. Math. Stud., 15, Springer, Berlin, 2006, 199–262
- Ю. Д. Буртин, “О вероятности связности случайного подграфа $n$-мерного куба”, Пробл. передачи информ., 13:2 (1977), 90–95
- Л. И. Боголюбский, А. С. Гусев, М. М. Пядeркин, А. М. Райгородский, “Числа независимости и хроматические числа случайных подграфов в некоторых последовательностях графов”, Докл. РАН, 457:4 (2014), 383–387
- Л. И. Боголюбский, А. С. Гусев, М. М. Пядeркин, А. М. Райгородский, “Числа независимости и хроматические числа случайных подграфов некоторых дистанционных графов”, Матем. сб., 206:10 (2015), 3–36
- М. Е. Жуковский, А. М. Райгородский, “Случайные графы: модели и предельные характеристики”, УМН, 70:1(421) (2015), 35–88
- А. Р. Ярмухаметов, “Гигантская и мелкие компоненты в случайных дистанционных графах специального вида”, Матем. заметки, 92:6 (2012), 949–953
- M. Koshelev, “Spectrum of Johnson graphs”, Discrete Math., 346:3 (2023), 113262, 22 pp.
- B. Bollobas, P. Erdős, “Cliques in random graphs”, Math. Proc. Cambridge Philos. Soc., 80:3 (1976), 419–427
- D. W. Matula, “On the complete subgraphs of a random graph”, Proceedings of the second Chapel Hill conference on combinatorial mathematics and its applications (Univ. North Carolina, Chapel Hill, NC, 1970)), Univ. North Carolina, Chapel Hill, NC, 1970, 356–369
- A. M. Frieze, “On the independence number of random graphs”, Discrete Math., 81:2 (1990), 171–175
- V. Dani, C. Moore, “Independent sets in random graphs from the weighted second moment method”, Approximation, randomization, and combinatorial optimization, Lecture Notes in Comput. Sci., 6845, Springer, Heidelberg, 2011, 472–482
- T. Bohman, J. Hofstad, Two-point concentration of the independence number of the random graph, 2024 (v1 – 2022), 28 pp.
- М. М. Пядeркин, “О пороговой вероятности для устойчивости независимых множеств в дистанционном графе”, Матем. заметки, 106:2 (2019), 280–294
- A. J. W. Hilton, E. C. Milner, “Some intersection theorems for systems of finite sets”, Quart. J. Math. Oxford Ser. (2), 18 (1967), 369–384
- P. Frankl, “On intersecting families of finite sets”, J. Combin. Theory Ser. A, 24:2 (1978), 146–161
- P. Frankl, “A simple proof of the Hilton–Milner theorem”, Mosc. J. Comb. Number Theory, 8:2 (2019), 97–101
- J. Balogh, T. Bohman, D. Mubayi, “Erdős–Ko–Rado in random hypergraphs”, Combin. Probab. Comput., 18:5 (2009), 629–646
- B. Bollobas, B. P. Narayanan, A. M. Raigorodskii, “On the stability of the Erdős–Ko–Rado theorem”, J. Combin. Theory Ser. A, 137 (2016), 64–78
- J. Balogh, R. A. Krueger, Haoran Luo, “Sharp threshold for the Erdős–Ko–Rado theorem”, Random Structures Algorithms, 62:1 (2023), 3–28
- M. M. Pyaderkin, “On the stability of some Erdős–Ko–Rado type results”, Discrete Math., 340:4 (2017), 822–831
- Ф. А. Пушняков, “О количествах ребер в порожденных подграфах некоторых дистанционных графов”, Матем. заметки, 105:4 (2019), 592–602
- Н. А. Дубинин, Е. А. Неустроева, А. М. Райгородский, Я. К. Шубин, “Нижние и верхние оценки минимального числа ребер в некоторых подграфах графа Джонсона”, Матем. сб., 215:5 (2024), 71–95
- Н. М. Деревянко, С. Г. Киселев, “Числа независимости случайных подграфов некоторого дистанционного графа”, Пробл. передачи информ., 53:4 (2017), 3–15
- М. М. Пядeркин, “Числа независимости случайных подграфов некоторого дистанционного графа”, Матем. заметки, 99:2 (2016), 288–297
- M. Krivelevich, B. Sudakov, Van H. Vu, N. C. Wormald, “On the probability of independent sets in random graphs”, Random Structures Algorithms, 22:1 (2003), 1–14
- А. Райгородский, “Об одной ‘олимпиадной’ задаче про графы”, Квант, 2017, № 2, 2–8
- А. М. Райгородский, “Об устойчивости числа независимости случайного подграфа”, Докл. РАН, 477:6 (2017), 649–651
- E. Surya, L. Warnke, “On the concentration of the chromatic number of random graphs”, Electron. J. Combin., 31:1 (2024), P1.44, 18 pp.
- А. С. Гусев, “Новая верхняя оценка хроматического числа случайного подграфа дистанционного графа”, Матем. заметки, 97:3 (2015), 342–349
- M. M. Pyaderkin, “On the chromatic number of random subgraphs of a certain distance graph”, Discrete Appl. Math., 267 (2019), 209–214
- С. Г. Киселев, А. М. Райгородский, “О хроматическом числе случайного подграфа кнезеровского графа”, Докл. РАН, 476:4 (2017), 375–376
- A. Kupavskii, “On random subgraphs of Kneser and Schrijver graphs”, J. Combin. Theory Ser. A, 141 (2016), 8–15
- M. Alishahi, H. Hajiabolhassan, “Chromatic number of random Kneser hypergraphs”, J. Combin. Theory Ser. A, 154 (2018), 1–20
- A. Kupavskii, “Random Kneser graphs and hypergraphs”, Electron. J. Combin., 25:4 (2018), 4.52, 16 pp.
- S. Kiselev, A. Kupavskii, “Sharp bounds for the chromatic number of random Kneser graphs”, J. Combin. Theory Ser. B, 157 (2022), 96–122
- P. Erdős, “Graph theory and probability”, Canad. J. Math., 11 (1959), 34–38
- А. М. Райгородский, “Графы с большим хроматическим числом и большим обхватом”, Матем. просв., сер. 3, 20, МЦНМО, М., 2016, 228–237
- А. М. Райгородский, “О дистанционных графах, имеющих большое хроматическое число, но не содержащих больших симплексов”, УМН, 62:6(378) (2007), 187–188
- Е. Е. Демeхин, А. М. Райгородский, О. И. Рубанов, “Дистанционные графы, имеющие большое хроматическое число и не содержащие клик или циклов заданного размера”, Матем. сб., 204:4 (2013), 49–78
- А. А. Сагдеев, “О нижних оценках хроматических чисел дистанционных графов с большим обхватом”, Матем. заметки, 101:3 (2017), 430–445
- Р. И. Просанов, “Контрпримеры к гипотезе Борсука, имеющие большой обхват”, Матем. заметки, 105:6 (2019), 890–898
- А. Б. Купавский, “Явные и вероятностные конструкции дистанционных графов с маленьким кликовым и большим хроматическим числами”, Изв. РАН. Сер. матем., 78:1 (2014), 65–98
- M. Bucic, J. Davies, Geometric graphs with exponential chromatic number and arbitrary girth, 2024 (v1 – 2023), 53 pp.
- К. А. Михайлов, А. М. Райгородский, “О числах Рамсея для полных дистанционных графов с вершинами в ${0,1}^n$”, Матем. сб., 200:12 (2009), 63–80
- В. С. Карась, А. М. Райгородский, “О числах Рамсея для произвольных последовательностей графов”, Докл. РАН. Матем., информ., проц. упр., 502 (2022), 19–22
- А. М. Райгородский, “Об одной серии задач рамсеевского типа в комбинаторной геометрии”, Докл. РАН, 413:2 (2007), 171–173
- А. М. Райгородский, М. В. Титова, “О дистанционных подграфах графов в пространствах малых размерностей”, Совр. матем. и ее приложения, 76 (2012), 75–83
- A. B. Kupavskii, A. M. Raigorodskii, M. V. Titova, “New bounds for the distance Ramsey number”, Discrete Math., 313:22 (2013), 2566–2574
- N. Alon, A. Kupavskii, “Two notions of unit distance graphs”, The seventh European conference on combinatorics, graph theory and applications, CRM Series, 16, Edizioni della Normale, Pisa, 2013, 105–110
Supplementary files
